微小金属块亦能表现为波的生动证明
本月，在维也纳大学（University of Vienna）一个安静的实验室里，研究人员将中性钠微团（每个微团包含约 5,000 到 10,000 个原子）送入一段米级束流线，并观察到它们表现得像波一样。这些团簇穿过了一系列充当“隐形光栅”的紫外驻波场；在束流线末端，探测器记录到了到达位置上显著的条纹图案。这些条纹是量子干涉的标志：单个物体同时沿着多条路径运动，并在重新汇合时产生明暗相间的条纹。
维也纳干涉仪及其工作原理
条纹、宏观性及测量结果
在探测器端，研究人员扫描了最后一道光掩模，并计数在每个位置通过的团簇数量。计数结果在空间上呈现振荡状态——即清晰的明暗条纹——这与不同路径振幅相加或抵消时预期的干涉现象相吻合。测得的条纹间距对应的位置差异约为百万分之五英寸，相对于团簇自身的尺寸而言，这是一种宏观的空间分离。
物理学家使用一个名为“宏观性”（macroscopicity）的单一数值来量化实验对量子-经典边界的探测强度。对于这些钠团簇，该得分达到了约 15.5——比早期的纳米粒子干涉测量结果高出约十倍。这一更高的数值并不意味着日常物体也具有量子特性，但它确实意味着该实验对那些试图在更大尺度上修正量子力学的理论提案构成了更为严苛的测试。
约束坍缩模型与量子-经典界限
几十年来，理论家们一直提出，某些因素——或许是质量、引力或某种客观随机过程——会导致大型系统不再表现出叠加态。这些“坍缩模型”在薛定谔方程中加入了随机扰动，使得原本延展、弥散的状态会迅速定域化为一种确定的结果。维也纳的实验结果将这些观点推向了更狭窄的死角：由于团簇保持了产生明显干涉的宽空间叠加态，任何作用于该质量和长度尺度的坍缩机制必须比某些版本的模型预测更弱，或者以不同的方式运行。
这并不能证明不存在量子规则失效的尺度。该实验证明，在极端隔离和精心准备的情况下，物质波行为可以在比通常假设大得多的原子集合中存续。现在的疑问在于，如果存在硬性边界，它究竟出现在哪里——或者量子规则是否可以在没有明确界限的情况下延伸，仅受限于退相干等技术挑战。
这一成果如何与近期其他量子里程碑相契合
维也纳大学的工作是更广泛且正在加速的实验计划中的一部分，该计划正致力于将量子效应推向更大的系统。坦佩雷大学（Tampere University）及其合作机构的团队最近首次通过实验证实，即使单个光子分裂成一对，轨道角动量守恒依然成立——得益于低噪声非线性光学和极高效率的探测方案，这项在单光子水平上进行的守恒定律测试变得可能。在其他地方，已有研究小组在宏观谐振器和晶体中制备了运动叠加态，理论家们也勾勒出了桌面级实验方案，以测试引力本身是否能使大质量物体产生纠缠。
国家计量实验室强调了这一进展的实用化一面。诸如美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构强调，这些用于基础测试的精密控制技术同时也孕育了新技术：量子传感器、更准确的时钟，以及用于未来量子网络和处理器的组件。简而言之，探测量子力学极限的实验，同时也是锻造下一代量子工具的实验室。
未来的技术与概念挑战
通往更大、更复杂叠加态的道路正受到退相干的阻碍。任何微小的相互作用——空气分子、热光子、杂散电磁场——都会带走“路径信息”并导致叠加态坍缩。因此，扩大规模需要更好的冷却技术、更洁净的真空环境、更温和的操控手段，以及能在不引入新干扰的情况下观察微弱信号的探测器。
路线图：材料、距离与新测试
团队建议尝试更换不同的材料——其他金属、绝缘体或复合粒子——以探索密度、内部自由度和结构如何影响干涉。更长的飞行距离会增加坍缩机制发生作用的时间，因此延长干涉仪的基线是加强约束的另一种直接方法。研究人员的目标还包括在空间分离的物体之间产生纠缠，或者将大质量叠加态与高灵敏度力探测器结合，以寻找引力介导的纠缠——这是量子引力理论提出的一种实验特征信号。
为什么这一结果在纯物理学之外也很重要
除了关于自然界是否强加了量子-经典界限的概念之争外，这些实验之所以重要，是因为它们磨砺了支撑未来科技的工具。对叠加和退相干更好的控制，可以促进传感、计时和信息处理技术的进步——这些应用已经处于商业化的边缘。此外，在量子水平上对守恒定律和对称性的精确测试，可以揭示出与量子通信协议和计量学相关的微妙失效或隐藏的相互作用。
最后，这些结果塑造了科学家构思宏大问题的方式。如果量子行为能在越来越大的原子集合中存续，那么划分量子与经典的界线可能更多是一个实际的实验前沿，而非原则性的宇宙论障碍。这使挑战从寻找新规则转变为如何精通量子系统，以便在大尺度上利用它们进行工程设计。
维也纳的团簇干涉、单光子守恒测试，以及将晶体和谐振器置于叠加态的实验，共同标志着一个基础物理学与应用量子工程并肩前行的时代。每一个里程碑都收紧了理论约束并拓宽了实践可能性——使量子奇异性与日常尺度之间难以捉摸的交叠区域，进入更清晰的实验观测视野。
资料来源
- arXiv (纳米粒子干涉测量预印本)
- Physical Review Letters (单光子水平角动量守恒研究)
- 维也纳大学 (Arndt 研究组)
- 坦佩雷大学 (光子轨道角动量实验)
- 美国国家标准与技术研究院 (NIST)
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